萜烯合酶是一类典型的天然功能杂泛酶，其功能的多样性吸引了大量研究的关注。研究者们致力于通过改造萜烯合酶的功能杂泛性，以期创制出具有不同催化特性的酶。随着对萜烯合酶蛋白质晶体结构及催化机制的深入研究，可以通过萜类合酶改造来实现底物或产物谱的改变。然而，由于目前针对功能杂泛的萜烯合酶尚缺乏高效的高通量筛选手段，加之对酶催化机制的理解尚不够深入透彻，因此在获取高活性萜烯合酶及实现酶功能的定向创制方面，仍然面临着挑战。
近日，中国科学院天津工业生物技术研究所进化与代谢工程研究团队，基于计算设计对萜类合酶进行趋异功能改造，实现了酿酒酵母中不同萜类物质的高水平合成。该研究提出了通过精细调控单萜合酶HCinS催化过程，来实现产物特异性定向改变且保持高催化活性的单萜合酶设计策略。首先通过单萜合酶酶库的构建及表征，筛选鉴定了具有高催化活性的HCinS。通过蛋白质晶体结构测定和QM/MM模拟，揭示了HCinS催化GPP生成双环单萜桉叶素的级联反应机制，并鉴定出3个控制产物多样性的关键反应节点。利用调节反应能垒和催化反应类型的指导方法对HCinS催化反应的关键节点进行控制，仅通过单一氨基酸的突变，成功定向创制了三种功能各异的高催化活性单萜合酶 (包括：(R)-α-萜品醇合酶，(R)-柠檬烯合酶，月桂烯合酶)。此策略还可有效地拓展应用于与HCinS进化关系较远的萜烯合酶 (包括单萜桉叶素合酶、α-萜品醇合酶，倍半萜吉玛烯A合酶、蓝桉醇合酶) 的定向功能重塑，体现了此改造策略的广泛适用性。将优良的HCinS突变体整合到酿酒酵母，5 L发酵罐中，桉叶素、月桂烯、(R)-柠檬烯和(R)-α-萜品醇的产量分别达到了6.0、4.3、4.2和3.8g/L，实现了各物质的目前报道最高水平合成。该研究可为开发具有应用价值的新型高效萜类合酶提供策略指导，并可有力的推动萜类物质的微生物合成研究。
该研究工作得到了国家自然科学基金、天津市合成生物技术创新能力提升行动、中国博士后科学基金等支持。中国科学院天津工业生物技术研究所生物设计中心马红武研究员、结构生物学平台实验室刘卫东研究员、蛋白计算模拟与设计研究组盛翔研究员对该工作给予大力支持。相关成果近日发表在国际学术期刊ACS Catalysis。中国科学院天津工业生物技术研究所博士后苏立秋、副研究员刘岯为论文的共同第一作者，戴宗杰研究员和王钦宏研究员为论文的共同通讯作者。
